Evolution im Zeitraffer
Wissenschaftler analysieren die Dynamik, mit der sich HI-Viren verändern
HIV wandelt sich rasant und bildet nach einer Infektion unzählige Virus-Varianten. Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe von Richard Neher vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben in Kooperation mit Arbeitsgruppen aus Stockholm die Evolution von HI-Viren in mehreren Patienten über einige Jahre analysiert. Diese Berechnungen erlauben nicht nur Rückschlüsse auf die Evolution von Organismen, sondern könnten auch bei der Impfstoffentwicklung hilfreich sein.
Mit HI-Viren (gelb) infizierte T-Zelle (blau) des Immunsystems.
© NIAID/Flickr
Um die Evolution und Entstehung von Varianten nachvollziehen zu können, haben die Forscher das Erbgut von Viren aus Patientenproben von HIV-Infizierten über mehrere Jahre mittels neuster Sequenzier-Methoden untersucht. Die Wissenschaftler konnten bestätigen, dass die Ausbildung von Virusvarianten in den einzelnen Patienten einem Muster folgt. Bestimmte Regionen der Viren häufen dabei sehr viel schneller Mutationen an als andere: Regionen im Erbgut des Virus, die wichtige Funktionen für die Vermehrung beinhalten, variieren weniger stark und fast alle Varianten stimmen an diesen Positionen überein. An allen Stellen im Genom, an denen Mutationen dem Virus weniger schaden, steigt Variation stetig und an einem Großteil dieser Positionen existieren mehrere Varianten. Diese Vielfalt erlaubt der Viruspopulation, sich schnell anzupassen.
Bis zu ein Prozent Veränderungen in der DNA sammeln die Viren pro Jahr an – das entspricht in etwa dem Unterschied zwischen Mensch und Schimpanse. Die häufigen Mutationen helfen dem Virus, sich vor dem Immunsystem zu verstecken, was oft auf Kosten der Funktionalität der Viren geht. Die Wissenschaftler berechneten für jede Stelle im Genom von HI-Viren die Sequenz, die global am häufigsten vorkommt. Diese Konsensus-Sequenz verglichen sie mit den Sequenzen aus den Patientenproben.
Überraschenderweise waren etwa 30 Prozent aller Veränderungen Rückmutationen zur Konsensus-Sequenz. „Eine der wesentlichen Beobachtungen, die wir gemacht haben, war, dass das Virus eine Art Lieblingssequenz hat. Das Immunsystem versucht, das Virus von dieser Sequenz wegzutreiben. Wenn der Druck durch das Immunsystem aber aufhört, gehen die Viren wieder zu dieser Sequenz zurück“, erläutert Neher. Das passiert zum Beispiel, wenn das Virus auf den nächsten Menschen übertragen wird, dessen Immunsystem andere Teile des Virus erkennt.
Die Forschungsergebnisse könnten auch dabei helfen, Impfstoffe gegen HIV zu finden: „Obwohl es viele verschiedene Virusvarianten gibt, haben wir herausgefunden, dass die „Schwachstellen“ der Viren bei unterschiedlichen Patienten oft dieselben sind. Man sollte diese gemeinsamen Schwachstellen jetzt weiter untersuchen, um effektive Impfstoffe zu entwickeln“, sagt Fabio Zanini, Erstautor der Studie.
Die Entwicklung der HI-Viren im Patienten ist auch ein gutes Modell, um allgemeine Gesetzmäßigkeiten der Evolution zu analysieren. Bei HIV können die Wissenschaftler Evolution direkt von Jahr zu Jahr beobachten und Prozesse studieren, die in anderen Organismen viele Millionen Jahre dauern würden.
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